铸件缩孔/缩松缺陷预测及缺陷分析系统的设计与开发
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摘要
缩孔／缩松是铸件常见的缺陷，是产生废品的主要原因之一。铸件凝固过程温度场数值模拟为最终消除缩孔／缩松缺陷或将其限制在用户允许的范围内，以获得质量合格的产品提供了非常有效的手段。本论文以有限元分析软件ANSYS为二次开发平台，采用三层开发体系层次结构，运用操作图形化、设计参数化、功能模块化技术，初步开发了面向铸造工程应用的铸件缩孔／缩松缺陷预测及缺陷分析系统。
本文在充分分析铸件缩孔／缩松产生机理与主要预测方法的基础上，提出了材料凝固固相率的线性分布法和抛物线分布法，并将前者应用于系统中；同时提出了温度梯度法和新山判据法的实现算法，此算法具有一定的灵活性。
本文提出了按物理场的缺陷分类体系和缺陷推理分析流程，并通过建立知识库、推理机制、解释机制和缺陷信息编码，系统基本实现了缺陷查询、缺陷原因分析、缺陷防止措施与建议和知识库维护等功能和缺陷信息的集成。
临界梯度值和新山判据临界值的确定是实现缩孔／缩松预测的关键，本文提出了确定临界值的正向法和反向法，并以高铬铸铁件缩孔／缩松预测和铸造工艺改进为研究对象，应用正向法，确定了温度梯度法的临界值为180℃／m。
通过实例验证了温度梯度法和新山判据法的实现算法是基本正确的，开发工具的选取是合理的并便于系统的扩充，但新山判据法不适用于高铬铸铁件缩孔／缩松的预测。
Shrinkage /porosity is a common defect in castings and one of main causes making products waste. The ultimate aim of the numerical simulation on temperature field in castings solidification process is for eliminating shrinkage /porosity or limiting them within the user's permission. The main task of the thesis is that prediction&analysis system of shrinkage /porosity defect in a casting,which is oriented to foundry engineering application,was preliminary developed based on ANSYS. The three-tier developing hierarchy structure was adopted in this system by operation visualization,parametric design,and function modularization.
On the basic of the detailed analysis on main causes and main prediction methods of casting shrinkage/porosity,we put forward two methods to describe the solid phase rate of materials solidification. One is liner-distributing method,and the other is parabola-distributing method. And then,we apply the former to the system. We also put forward to realistic arithmetic of temperature gradient method and niyama criterion method. These methods are flexible in use.
This thesis gives a system of defects sorting and a flow of defects reasoning and analyzing on physical field. By building a knowledge-base,a reasoning mechanism,a explaining mechanism and a defects information coding,the defects analysis system integrate defects information and defects analysis function,which include defects inquire,defects causes analysis,measure &suggestion of defects preventing
and knowledge-base maintenance.
The key to prediction of casting shrinkage/porosity lies in ascertaining the critical value of temperature gradient and niyama criterion. The thesis put forward two methods to ascertain the value,one is which is positive-direction and the other is negative-direction.
We verify the realistic arithmetic of temperature gradient method and niyama criterion method by experiment,and we can draw a conclusion that the arithmetic is correct and reasonable in most cases and choice of developing tool is sound. At the same time,critical values of them are obtained. But niyama criterion method is not suitable for the prediction of shrinkage/porosity of high-chrome iron casting.
本文在充分分析铸件缩孔／缩松产生机理与主要预测方法的基础上，提出了材料凝固固相率的线性分布法和抛物线分布法，并将前者应用于系统中；同时提出了温度梯度法和新山判据法的实现算法，此算法具有一定的灵活性。
本文提出了按物理场的缺陷分类体系和缺陷推理分析流程，并通过建立知识库、推理机制、解释机制和缺陷信息编码，系统基本实现了缺陷查询、缺陷原因分析、缺陷防止措施与建议和知识库维护等功能和缺陷信息的集成。
临界梯度值和新山判据临界值的确定是实现缩孔／缩松预测的关键，本文提出了确定临界值的正向法和反向法，并以高铬铸铁件缩孔／缩松预测和铸造工艺改进为研究对象，应用正向法，确定了温度梯度法的临界值为180℃／m。
通过实例验证了温度梯度法和新山判据法的实现算法是基本正确的，开发工具的选取是合理的并便于系统的扩充，但新山判据法不适用于高铬铸铁件缩孔／缩松的预测。
Shrinkage /porosity is a common defect in castings and one of main causes making products waste. The ultimate aim of the numerical simulation on temperature field in castings solidification process is for eliminating shrinkage /porosity or limiting them within the user's permission. The main task of the thesis is that prediction&analysis system of shrinkage /porosity defect in a casting,which is oriented to foundry engineering application,was preliminary developed based on ANSYS. The three-tier developing hierarchy structure was adopted in this system by operation visualization,parametric design,and function modularization.
On the basic of the detailed analysis on main causes and main prediction methods of casting shrinkage/porosity,we put forward two methods to describe the solid phase rate of materials solidification. One is liner-distributing method,and the other is parabola-distributing method. And then,we apply the former to the system. We also put forward to realistic arithmetic of temperature gradient method and niyama criterion method. These methods are flexible in use.
This thesis gives a system of defects sorting and a flow of defects reasoning and analyzing on physical field. By building a knowledge-base,a reasoning mechanism,a explaining mechanism and a defects information coding,the defects analysis system integrate defects information and defects analysis function,which include defects inquire,defects causes analysis,measure &suggestion of defects preventing
and knowledge-base maintenance.
The key to prediction of casting shrinkage/porosity lies in ascertaining the critical value of temperature gradient and niyama criterion. The thesis put forward two methods to ascertain the value,one is which is positive-direction and the other is negative-direction.
We verify the realistic arithmetic of temperature gradient method and niyama criterion method by experiment,and we can draw a conclusion that the arithmetic is correct and reasonable in most cases and choice of developing tool is sound. At the same time,critical values of them are obtained. But niyama criterion method is not suitable for the prediction of shrinkage/porosity of high-chrome iron casting.
引文
1 张毅，蒋乃隆．铸造工艺CAD及其应用．北京：机械工业出版社，1994
2 陈海清，李华基，曹阳．铸件凝固过程数值模拟．重庆：重庆大学出版社，1991
3 程军．计算机在铸造中的应用。北京：机械工业出版社，1993
4 刘强，蒋玉明，杨屹等．虚拟制造技术与模具CAD／CAE／CAM．锻压技术，2001，26(6)：45～49
5 王君卿．国内外铸造工艺过程计算机数值模拟的发展．第九届中国铸造学术会议论文集．1997：362～374
6 柳百成．铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展．铸造，1999(8)：40-45
7 荆涛．凝固过程数值模拟．清华大学机械工程系，1999
8 蒋玉明，杨屹，梅筱琴．铸件凝固数值模拟和铸造工艺CAD的发展综述(一)．成都科技大学学报，1994(1)：32～39
9 杨屹，蒋玉明，梅筱琴．铸件凝固数值模拟和铸造工艺CAD的发展综述(二)．成都科技大学学报，1994(2)：95～102
10 柳百成，荆涛等．铸造工程的模拟仿真与质量控制．北京：机械工业出版社，2001
11 杨全，张真．金属凝固与铸造过程数值模拟．杭州：浙江大学出版社，1996
12 Dale Christensen and Pat Baker. Optimizing Casting Yield Using Computer Simulation modem casting. 1999(5): 44～46
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14 疏达，于敞，厉松春，邱虹样．铸件充型过程流动的三维计算机模拟．热加工工艺，1998，(2)：18～20
15 Foundry Application of Computer Technology. Foundryman, 1999(12): 395-397
16 杜强，李殿中，胡志勇．铸件充型过程中的流动与传热耦合模拟．铸造，2000，49(6)：336～339
17 周彼德，薛祥，糜忠兰等．铸件三维充型过程耦合数值模拟．中国有色金属学报，2000，10(2)：230～233
18 周丹晨．铸件温度场／应力场仿真与工艺优化设计系统的设计与开发．四川大学硕士学士论文，2001
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20 杨宠，林汉同，刘瑞祥，陈立亮．铸件凝固过程应力场数值模拟技术．热加工工艺，2000(1)：40～42
21 杨屹，蒋玉明，刘力菱等．铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟分析．铸造技术，2000(2)：36～39
22 陈瑶，柳百成．国内外铸造过程应力场数值模拟技术的研究进展．中国机械工程，1996，7(4)：50～53
23 陈瑶，白雪峰，朱日明，柳百成．铸造过程应力场数值模拟集成化技术的研究．铸造，1997(3)：1～5
24 柳百成．铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展．中国工程科学，2000，2(9)：29～37
25 张立光，熊守美，吴浚郊．“铸造质量专家FQExpert”的研制(1)——铸造生产过程质量保证体系．中国铸造装备与技术，2000(2)：25～28
26 张立光，熊守美，吴浚郊．“铸造质量专家FQExpert”的研制(3)统计质量管理系统．中国铸造装备与技术，2000(4)：13～16 ．
27 李英民，崔宝侠，苏仕方．计算机在材料热加工领域中的应用．北京：机械工业出版 社，2001
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47 贾宝仟，柳百成，王春乐等．铸钢件缩孔缩松判据G／T~(1/2)临界值的实验研究．铸造技术，1982(1)：41～43
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